Система изменения геометрии впускного коллектора
Главная » Впускная система » Система изменения геометрии впускного коллектора
Система изменения геометрии впускного коллектора является одной из востребованных технологий повышения мощности двигателя, экономии топлива, снижения токсичности отработавших газов.
Изменение геометрии впускного коллектора может быть реализовано двумя способами:
- изменением длины впускного коллектора;
- изменение поперечного сечения впускного коллектора.
В ряде случаев изменение геометрии впускного коллектора на одном двигателя осуществляется одновременно двумя способами.
Впускной коллектор переменной длины
Впускной коллектор переменной длины применяется в атмосферных бензиновых и дизельных двигателях для обеспечения лучшего наполнения камеры сгорания воздухом на всем диапазоне оборотов двигателя.
На низких оборотах двигателя требуется достижение максимального крутящего момента как можно быстрее, для чего используется длинный впускной коллектор.
Впускной коллектор переменной длины используют в конструкции двигателей многие производители, некоторые дали системе собственные названия:
- Dual-Stage Intake, DSI от Ford;
- Differential Variable Air Intake, DIVA от BMW;
- Variable Inertia Charging System, VICS, Variable Resonance Induction System, VRIS от Mazda.
Регулирование длины впускного коллектора (переключение с одной длины на другую) производится с помощью клапана, входящего в состав системы управления двигателем.
Работа впускного коллектора переменной длины осуществляется следующим образом. При закрытии впускных клапанов во впускном коллекторе остается часть воздуха, которая совершает колебания с частотой пропорциональной длине коллектора и оборотам двигателя.
В надувных двигателях впускной коллектор переменной длины не используется, т.к. необходимый объем воздуха в камере сгорания обеспечивается механическим и (или) турбокомпрессором. Впускной коллектор в таких двигателях очень короткий, что сокращает размеры двигателя и его стоимость.
Впускной коллектор переменного сечения
Впускной коллектор переменного сечения применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях, в т.ч. оборудованных наддувом. При уменьшении поперечного сечения каналов впускного коллектора достигается увеличение скорости воздушного потока, лучшее смесеобразование и соответственно обеспечивается полное сгорание топливно-воздушной смеси, снижение токсичности отработавших газов.
Известными системами впуска переменного сечения являются:
- Intake Manifold Runner Control, IMRC, Charge Motion Control Valve, CMCV от Ford;
- Twin Port от Opel;
- Variable Intake System, VIS от Toyota;
- Variable Induction System, VIS от Volvo.
В системе впускной канал к каждому цилиндру разделен на два канала (отдельный канал на каждый впускной клапан), один из которых перекрыт заслонкой. Привод заслонки осуществляет вакуумный регулятор или электродвигатель, являющийся исполнительным устройством системы управления двигателем.
При частичной нагрузке заслонки закрыты, топливно-воздушная смесь (двигатели с распределенным впрыском) или воздух (двигатели с непосредственным впрыском) поступает в камеру сгорания каждого из цилиндров по одному каналу. При этом создаются завихрения, которые обеспечивают лучшее смесеобразование. При уменьшении сечения впускного коллектора раньше вступает в работу система рециркуляции отработавших газов, тем самым повышается топливная экономичность двигателя.
При полной нагрузке заслонки впускного коллектора открываются, увеличивается подача воздуха (топливно-воздушной смеси) в камеры сгорания и соответственно повышается мощность двигателя.
Впускной коллектор с изменяемой геометрией
Александр [Alex2226]
12.
09.2019,
Просмотров: 9553
Современные технологии позволяют за короткий промежуток времени впрыскивать в цилиндры большое количество топлива. Гораздо сложнее обеспечить эффективное наполнение цилиндров свежим зарядом воздуха. Впускной коллектор с изменяемой геометрией – один из действенных способов повысить мощность и крутящий момент двигателя при сохранении его объема. Давайте рассмотрим устройство, принцип работы заслонок, способы реализации изменения длины и формы впускного коллектора.
Фактор наполнения цилиндров
Прозвучит довольно странно, но бензиновый двигатель работает в первую очередь на воздухе. Именно исходя из массы воздушного заряда, ECM (Engine Control Module) рассчитывает цикловую подачу топлива. Для полного сгорания топливовоздушной смеси (ТПВС) на 1 порцию бензина должно припадать 14,7 порций воздуха. В зависимости от режима работы двигателя, допускается небольшое обеднение или обогащение, но рамки регулировки довольно узкие. Выход за эти рамки ведет к большому количеству вредных выбросов и увеличению расхода топлива.
Особенности воспламенения тяжелого топлива позволяют работать дизельному двигателю при очень обедненной смеси. Тем не менее, эффективное наполнение цилиндра свежим воздухом в мощностном режиме, а также скорость потока заряда и его направление, напрямую влияют на крутящий момент и эластичность двигателя.
Принцип инерционного надува
В процессе работы двигателя во впускном тракте возникают волны – чередующиеся зоны повышенного и пониженного давления. На такте впуска над поршнем создается зона разряжения, засасывающая воздух из впускного тракта. Поскольку воздушный поток имеет определенную массу, после закрытия впускного клапана над ним создается зона повышенного давления.
Движущийся по инерции воздушный поток ударяется о стенки перекрытого отверстия, отражается и движется уже к дроссельной заслонке.
Для расчета интервалов повышенного давления над впускным клапаном используется формала t=s/v, где
- s – длина впускного тракта от клапана до входа в коллектор;
- t – время, необходимое волне для преодоления расстояния s;
- v – скорость движения волны (скорость звука).
Временной интервал, при котором открыт впускной клапан, зависит от оборотов коленчатого вала. Чем медленней скорость движения поршня, тем дольше отраженная волна возвращается к впускному клапану и, соответственно, тем большее расстояние ей нужно преодолеть для создания инерционного наддува. Чтобы сократить время t, позволив тем самым воздушному потоку попасть в открывающийся впускной клапан в зоне повышенных оборотов, необходимо сократить расстояние s. Именно эту инженерную задачу призван решить впускной коллектор с изменяемой геометрией.
Подведем итоги
- Чем ниже обороты двигателя, тем длиннее должен быть впускной тракт. При этом небольшое сечение впускных каналов позволяет увеличить скорость движения потока воздуха, что благотворно влияет на перемешивание ТПВС.
- Чем выше обороты двигателя, тем короче должен быть впускной тракт. Повышение оборотов ведет к увеличению массы воздуха, поступающего в цилиндры за единицу времени. Поэтому в зоне высоких оборотов сечение впускных каналов должно обеспечивать достаточную пропускную способность и не создавать избыточные насосные потери.
Система перекрытия раннеров индивидуальными заслонками
Принцип работы системы заключается в перекрытие половины впускных раннеров в режимах малых и частичных нагрузок. Заслонки, перекрывающие путь потоку воздуха, соединены тягой либо устанавливаются все на одной оси. На ранних моделях тяги управлялись вакуумным регулятором. Позже перекрытие клапанов осуществлялось электропневматическим клапаном, питание на который подавал ЭБУ двигателя.
Большинство современных систем с индивидуальными заслонками оборудуются сервоприводами. Внедрение датчика положения оси вихревых заслонок позволило реализовать обратную связь для более точного управления системой EGR. Подобную систему индивидуальных заслонок применяют как на бензиновых, так и на дизельных ДВС с турбонаддувом.
Проблемы
- Образование нагара, грязевых отложений на заслонках, впускных каналах. Работа системы EGR в паре с неисправной системой ВКГ приводит к отложениям сажи на стенках коллектора. Поэтому на дизельных ДВС впускной коллектор с изменяемой геометрией гораздо чаще требует к себе внимания.
- Обламывание оси крепления заслонки. Проблема «смертельных бабочек» хорошо известна владельцам BMW. После обламывания ось крепления и куски заслонки попадают в камеру сгорания, повреждая поршни, клапаны и стенки камеры сгорания.
- Появление люфтов в местах крепления заслонок к оси, тяге. Из-за этого датчик положения заслонок выдает неверный сигнал, что заставляет ЭБУ постоянно корректировать положение заслонок.
Впускной коллектор с изменяемой длиной
На схеме принцип работы впускного коллектора двигателя Skoda Octavia 2.0 MPI (AZJ). Заслонки управляются при помощи электромагнитных клапанов. Механическое воздействие на ось заслонки осуществляется через вакуумный клапан, который берет разряжение из вакуумной камеры.
- Заслонки закрыты. Воздух движется по узкому длинному каналу.
- В режиме работы свыше 4000 тыс.об./мин открывается заслонка 1.
- Обороты двигателя свыше 4800 тыс./мин. Открытие заслонки 2 позволяет резонировать потоку на небольшой длине, что улучшает наполнение на высоких оборотах.
Изменение геометрии
Довольно интересно изменение геометрии впускного коллектора реализовано на турбированных двигателях AGN, AGU объемом 1.8 литра. Короткий или длинный впуск образовывается в зависимости от положения четырех параллельных заслонок, установленных между раннерами.
- Заслонки закрыты. Сообщение между каналами отсутствует. Для каждого из цилиндров пропускная способность ограничена сечением раннера.
Сообщение между каналами отсутствует. Для каждого из цилиндров пропускная способность ограничена сечением раннера.- Заслонки открыты. Все раннеры сообщены, что значительно уменьшает насосные потери, увеличивая наполняемость цилиндров на высоких оборотах.
FSAE Впускной коллектор переменной длины (VLIM)
Что такое впускной коллектор?Впускной коллектор — это просто механический компонент, прикрепленный к головке блока цилиндров двигателя, который позволяет воздушно-топливной смеси поступать в камеру сгорания двигателя. Впускной коллектор состоит из следующих частей:
Что такое впускной коллектор с изменяемой геометрией?
Впускной коллектор с изменяемой геометрией, как следует из названия, представляет собой впускной коллектор, который меняет свою геометрию.
Изменение геометрии требуется для оптимизации работы двигателей на разных оборотах.
Обычно это достигается изменением длины направляющей впускного коллектора.
Каковы преимущества впускного коллектора с изменяемой геометрией?
Краткий ответ, для достижения большей объемной эффективности. Как следствие большей объемной эффективности мы можем достичь большего крутящего момента, мощности и теплового КПД при том же размере двигателя при тех же оборотах.
Что такое Объемный КПД?
Объемный КПД в двигателе внутреннего сгорания определяется как отношение массовой плотности топливовоздушной смеси, всасываемой в цилиндр при атмосферном давлении (во время такта впуска), к массовой плотности того же объема воздуха в впускной коллектор.
Впускной коллектор с изменяемой геометрией своими руками:
Здесь я расскажу об одной из своих конструкций впускного коллектора с изменяемой геометрией. Коллектор предназначен для одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания объемом 510 куб.
см (KTM 500EXC). После проектирования мы рассмотрим производственный процесс и проверку впускного коллектора с помощью регистратора данных, который мы сделали ранее в другом моем блоге здесь.
ШАГ 1: Дизайн
Конструкция состоит из следующих компонентов, расположенных по направлению вниз по потоку воздуха:
Характеристики:
- Размер корпуса дроссельной заслонки: 28 мм
- Диаметр Вентури: 20 мм (ограничено правилом FSAE)
- Объем камеры: переменный (от 1200 до 2800 куб. см)
- Длина направляющей: переменная (от 230 мм до 330 мм)
- Диаметр направляющей: 40 мм
Вышеупомянутые размеры являются результатом обширных расчетов, исследований и моделирования в нескольких программах. Одна только часть расчетов требует отдельного урока, который я сделаю в ближайшем будущем.
Рабочий: Обзор
К сожалению, я потерял все видео и изображения установки из-за поврежденной карты памяти.
Осталось только любительское видео установки ниже:
Механизм: На изображениях ниже показано движение подвижного плунжера и соответствующее изменение геометрии коллектора.
- По мере того как поршень перемещается к верхней крышке камеры, объем камеры уменьшается, а длина направляющей увеличивается. Оба эти изменения улучшают характеристики двигателя на низких оборотах.
- По мере того как поршень перемещается к нижней крышке камеры, объем камеры увеличивается, а длина направляющей уменьшается. Оба эти изменения повышают производительность двигателя на высоких оборотах.
ЭТАП 2: Изготовление
- Коллектор был изготовлен в основном на токарном станке с ЧПУ и вертикально-фрезерном станке с ЧПУ.
- В качестве материала был выбран алюминий из-за легкости, коррозионной стойкости и хорошей свариваемости.
- Ниже представлено изображение обработанных компонентов.
Почему не 3D-печать?
Некоторые могут возразить в пользу 3D-печати коллектора вместо обработки на станке с ЧПУ. И в какой-то степени их аргумент может быть действительным и законным. Но причина, по которой я выбрал последнее, заключается в моем предыдущем опыте работы с впускными коллекторами, напечатанными на 3D-принтере. Проблема с коллекторами, напечатанными на 3D-принтере, заключается в том, что конструкция слишком жесткая. Под этим я подразумеваю, что внесение изменений в уже изготовленный коллектор практически невозможно. Например, если позже вы захотите добавить в коллектор дополнительный датчик давления или датчик температуры, вам нужно будет сделать какое-то крепление на напечатанной на 3D-принтере детали. И чтобы сделать крепление, вам нужно будет его обработать, что очень ограничено для большинства 3D-печатных материалов.
С другой стороны, использование алюминия обеспечивает большую гибкость конструкции.
То есть на более поздних этапах, если вы хотите внести некоторые дополнения в дизайн, алюминий допускает несколько процессов обработки, таких как сварка, нарезание резьбы, накатка и т. д., которые не существуют в 3D-печати.
ШАГ 3: Сборка
- Окончательно собранный коллектор выглядит следующим образом:-
ШАГ 4: Проверка
- Используя систему сбора данных, которую мы сделали ранее, были записаны значения давления во впускном коллекторе при различных процентах дроссельной заслонки.
- Затем эти данные были нанесены на график в MATLAB и проанализированы. Пример данных выборки и результата показан ниже:
- Процентное увеличение объемной эффективности в точке конструктивного пересечения:
Где,
Pc= мгновенное давление в этой точке
Pm= среднее давление в этом цикле0037
- В перспективе двигатель с фиксированным впускным коллектором, развивающий в среднем 40 Нм крутящего момента при, скажем, 8500 об/мин, может производить 45 Нм, просто заменив фиксированный впускной коллектор на регулируемый.
- Однако следует отметить, что изменение объемного КПД в нашем случае сильно завышено. Это связано с ограничителем воздухозаборника в студенческих автомобилях Формулы, который создает еще более сильные волны давления, особенно при более высоких оборотах двигателя. Для дорожных автомобилей результаты не будут такими завышенными, поскольку в их коллекторе нет преднамеренного ограничения подачи воздуха. Но все же на дорожных автомобилях можно наблюдать значительное изменение порядка 6-8%. Более того, приведенные выше расчеты по своей сути не являются точными на 100%. Для получения более точных результатов вместо средних значений следует рассматривать интеграл волновой функции давления за один цикл всасывания. Это может еще больше уменьшить завышенное значение и даст более точный результат.
Для получения дополнительной информации о стратегии валидации, расчетах и результатах. Свяжитесь здесь.
ШАГ 5: Результат В результате такого тщательного проектирования впускного коллектора был создан очень конкурентоспособный автомобиль FSAE.
| ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ В IJSTR (ISSN 2277-8616) –
|
Рукописи должны быть представлены через онлайн-подачу
Все рукописи предварительно рецензируются редакционной комиссией. Вклады должны быть оригинальными, ранее или одновременно не публиковавшимися в других местах, и подвергаться критическому анализу перед публикацией. Статьи, которые должны быть написаны на английском языке, должны иметь правильную грамматику и правильную терминологию.